Сверхширокополосные технологии передачи информации

Стартовый флаг имеет  длину 4 бита. Входящие в него символы  имеют значение 0101, если первый бит поля синхронизации «0», и 1010, если первый бит поля синхронизации «1». Значение символов закрывающего флага определяется последним битом поля синхронизации. Если последний бит имеет значение «1», то флаг содержит символы 0101, а если последний бит поля синхронизации «0», то флаг содержит символы 1010. Наличие закрывающего флага указывает на присутствие в пакете поля заголовка.

Поле синхронизации (64 бита) используется для идентификации устройств в сети стандарта Bluetooth и синхронизации последовательностей.

Формируется поле синхронизации  на основе 24 младших битов (LAP) уникального адреса следующим образом. В младшей части адреса добавляется соответствующая последовательность из шести символов, дополняющая последний символ до полного кода Баркера: 001101, если старший символ «0», и 110010, если старший символ «1».

Полученная последовательность суммируется по правилу исключающего или со старшими разрядами (30 бит) псевдослучайной последовательности, сформированной на основе порождающего полинома

(11)

где g(x) – порождающий полином

Полученный информационный блок кодируется блочным кодом, образованным на основе кода БЧХ. Образующий полином кода получается в виде

(12)

где g_БЧХ(x) – образующий полином кода БЧХ.

Избыточные символы (34 бита) помещаются перед информационным блоком. Сформированная таким образом кодовая комбинация суммируется по правилу исключающего или с уже сформированной псевдослучайной последовательностью. Тем самым информационная часть кодовой комбинации восстанавливается. Передается по каналу информационная часть, последовательность Баркера и скремблированные с помощью FHSS избыточные символы.

Хорошие автокорреляционные свойства последовательности Баркера служат для более точного определения моментов времени по синхропоследовательности. Скремблирование избыточных символов и информационных символов перед кодированием производится для улучшения корреляционных свойств кода.

Поле заголовка содержит адрес устройства в сети, указатель типа пакета, биты-указатели переполнения буфера приемника, ошибочного приема пакета, порядка передачи пакетов, а также поле проверочных символов кода защиты от ошибок.

Поле адреса состоит  из трех бит и позволяет закодировать адреса всех семи входящих в сеть устройств. Нулевой адрес 000 зарезервирован для циркулярной передачи от БС всем АС.

В поле «Тип пакета» задана структура пакета. В стандарте используются пакет управления, синхронной передачи и асинхронной передачи информации.

В синхронном режиме (используемом для передачи речи) скорость передачи фиксирована - 64 кбит/с, поэтому скорость передачи пакетов при повышении степени защиты от ошибок возрастает

(13)

где V_пак – скорость передачи пакетов;

V_к - скорость защитного кодирования.

В асинхронном режиме за счет увеличения длины поля данных и применения различных схем кодирования реализован широкий диапазон скоростей передачи данных от 108 до 720 кбит/с.

Указатель переполнения буфера приемного  устройства устанавливается в «0» при переполнении памяти буфера. Используется для управления передачей пакетов в асинхронном режиме. Если значение указателя «0» - передача пакетов запрещается и продолжается только после установления его в «1».

Указатель правильности приема (ARQN) после  прима пакета без ошибок устанавливается  в «1», чем подтверждает правильность приема. Состояние «0» запрашивает  повтор передачи пакета. Ошибки обнаруживаются с помощью кода проверки на четность.

Указатель SEQN может осуществлять подсчет количества переданных пакетов  и слежения за порядком передачи пакетов, так как у соседних пакетов  в этом поле устанавливаются инверсные (противоположные) значения. Таким образом, например, могут быть обнаружены повторные передачи пакетов, вызванные потерей пакета подтверждения приема.

Для защиты заголовка  от ошибок применяется код обнаружения  ошибок с проверкой на четность. Дополнительная защита информации заголовка от ошибок обеспечивается тройным повтором каждого бита заголовка, что позволяет реализовать мажоритарный прием.

Поле полезной нагрузки пакета (рисунок 16) содержит речь или данные. При передаче peчи поле состоит из блока передачи речи и избыточных символов кода защиты от ошибок. Для передачи данных структура поля полезной нагрузки содержит заголовок, поле данных и избыточные символы кода защиты от ошибок (16 бит). Если данные передаются пакетам, длина которых не превышает длительность временного окна (слота), то заголовок состоит из восьми бит (длина блока данных не более 512 бит). При использовании блока данных длиной более одного временного окна заголовок содержит 16 бит (длина блока данных 512.. . 4096 бит).

Рисунок 16 - Форматы полезной нагрузки пакета логического канала (LC) для режима соединения ACL: а - для однослотового; б - для многослотового пакетов

 

В стандарте Bluetooth используются три способа защиты от ошибок. Для защиты от ошибок данных заголовка пакета осуществляется тройной повтор передачи каждого из 18-ти битов и мажоритарное декодирование. Скорость кодирования составляет V_к = 1/3

В пакетах типов DM, DV, FHS, HV2 используется код Хэмминга (15,10), позволяющий  исправлять все однобитовые ошибки и обнаруживать все двухбитовые ошибки.

В пакетах типов DM и DH имеет место повторная передача пакетов по запросу (ARQ) при обнаружении ошибок. Последнее обеспечивается кодом проверки на четность совместно с кодами исправления ошибок. Если пакет принят без ошибок, то источнику сообщения направляется подтверждение правильного приема. Если в течение времени ожидания подтверждение не получено, пакет передается вторично. Повторная передача пакета происходит в случае прихода запроса повторной передачи (рисунок 17).

Запрос повторной передачи пакета в стандарте Bluetooth происходит в следующем после приема окне. Это обеспечивает минимизацию потерь памяти, времени задержки и затрат на служебные сигналы.

Рисунок 17 - Организация запроса повторной передачи пакетов

 

 

Передача сигналов информации осуществляется по логическим каналам. В стандарте Bluetooth предусмотрено пять типов логических каналов: управления каналом, администрирования каналом, асинхронный канал, синхронный канал, канал периодической (изохронной) передачи. Определено пять типов логических каналов передачи данных.

Управление каналом (LC) предназначено для управления потоком  пакетов через интерфейс канала. Канал LC отображается в заголовке  пакета и переносит низкоуровневую управляющую информацию, относящуюся к схеме ARQ, управлению потоком и определению характеристик полезной нагрузки. Информация канала LC переносится во всех пакетах, кроме пакета ID, у которого нет заголовка.

Администратор канала (LM) передает информацию по управлению каналом между станциями. Этот логический канал поддерживает трафик протокола управления LMP и может передаваться либо по физическим каналам SCO, либо по ACL.

Пользовательский асинхронный  канал (UA) переносит асинхронные  данные пользователя по каналу ACL, но может  переносить в пакетах DV по каналу SCO.

Пользовательский изохронный канал (UI) переносит непрерывные  данные пользователя по каналу ACL, но может  также переносить в пакетах DV по каналу SCO. На узкополосном уровне канал UI трактуется так же, как канал UA. Синхронизация для поддержки непрерывности обеспечивается на высшем уровне.

Пользовательский синхронный канал (US) переносит синхронные данные пользователя по каналу SCO.

В начале работы сети стандарта Bluetooth происходит процедура опроса БС устройств находящихся в пределах радиовидимости. Опрос начинается с передачи пакета идентификации ID с общим для всех устройств, стандарта Bluetooth, кодом доступа к опросу IAC/ Пакет формата ID не содержит полей заголовка и полезной нагрузки.

Далее на этапе опроса БС использует 32 несущих из 79, на каждой из которых последовательно передается код доступа IAC. Находящиеся в пределах радиовидимости от БС абонентские станции периодически переходят из «спящего» режима в режим поиска опроса для обнаружения кода IAC на тех же 32 несущих. После получения кода IAC абонентские устройства отвечают на опрос пакетом с адресом устройства и временем отправления. БС получает пакеты с адресами, пока не убедится, что получены ответы от всех АС, имеющихся в зоне радиовидимости.

Как только все АС найдены, возможным становится установление соединения с каждой из них. При запросе соединения БС отправляет пакет формата ID с адресом устройства, к которому направлен запрос (рисунок 18). Запрашиваемая АС отвечает тем же пакетом на той же частоте.

Рисунок 18 - Процедура запроса соединения

 

БС в следующем окне передает свой пакет со своим адресом и временные параметры для синхронизации. АС отвечает пакетом ID, подтверждая, что пакет FHS от БС получен. После этого устройства переходят в состояние соединения, в котором возможны три основных режима: активный, прослушивание и удержание. В активном режиме АС передает и принимает пакеты данных и синхронизации. В режиме прослушивания АС прослушивает только те окна, в которых могут находиться пакеты, предназначенные для этой АС. В режиме удержания асинхронный канал передачи не используется, и АС переходит в спящий режим. Обмен данными возможен только по синхронным каналам.

Физический уровень  стандарта Bluetooth определяет параметры  радиоинтерфейса. Протокол административного управления каналом (LMP) обеспечивает установление соединения между устройствами стандарта Bluetooth и управление соединением, включая выполнение функций аутентификации, шифрования. На этом уровне обеспечивается контроль и согласование размеров пакетов данных. Протокол LMP применяется в устройствах, управляющих соединениями.

Для эмуляции кабельного (проводного) соединения в составе  протоколов используется протокол RFСОММ, обеспечивающий работу последовательного порта, служащего для обмена данными.

Протокол RF СОММ реализует  дополнение канального уровня OSI так, что  возможным становится функционирование стандартных протоколов TCP/IP и UDP/IP.

Протокол адаптации  и управления логическим каналом обеспечивает переход от протоколов высших уровней OSI к протоколу управления соединением LC. С его помощью решаются задачи установления и управления соединением.

Для передачи телефонных сообщений в стандарте Bluetooth предусмотрен протокол управления телефонными соединениями (TCS BIN). Этот протокол обеспечивает передачу сигналов сигнализации и управления вызовами для передачи речи и данных между устройствами в двоичном виде.

Протокол управления каналом (LC) обеспечивает соединение канального уровня между устройствами, включая  установление и разъединение.

Протокол LC выполняет функции поиска устройств по всем каналам, определения доступности устройств на конкретной частоте, установления соединения. Функционирует протокол LC в синхронном (SCO, ориентированном на соединение) режиме и асинхронном (ACL, не ориентированном на соединение) режиме. Режим SCO используется только для передачи речи или одновременной передачи речи и данных. Режим ACL служит только для передачи данных. Для кодирования речи в оборудовании стандарта Bluetooth используются ИКМ или АДИКМ.

Для обеспечения безопасного обмена информацией между устройствами в стандарте Bluetooth применяются аутентификация устройств, шифрование и управление использованием ключей. Процедура аутентификации служит для проверки права на обмен данными вызываемого устройства стандарта Bluetooth. Проверка осуществляется с помощью общего ключа аутентификации и алгоритма, генерирующего код аутентификации, передаваемый к запрашиваемому устройству.

Управление безопасностью, синхронизацией, режимами работы устройств Bluetooth осуществляется протоколом администрирования канала (LMP).

Организация каналов  в асинхронном режиме обеспечивается протоколом L2CAP, позволяющим организовывать каналы без и с установлением соединения. В первом режиме реализуются однонаправленные каналы, во втором - двунаправленные каналы с возможностью управления качеством обслуживания (QoS). Протоколы уровня L2CAP позволяют осуществить обмен служебной информацией для выполнения функций сигнализации.

Для управления качеством  обслуживания задаются параметры канала: скорость передачи данных (байты в секунду), средняя задержка данных (в миллисекундах), отклонение задержки от среднего значения (в миллисекундах), скорость передачи маркеров и размер сегмента (поля) в маркерах.

Протокол L2САР в соответствии с типом услуги определяет жесткость соответствия установленным параметрам качества обслуживания QoS. Для услуг гарантированного качества выполняются все устанавливаемые ограничения. Для услуг «режим наибольшего старания» обеспечивается передача данных с максимально возможной скоростью, но без гарантированной пропускной способности.